Động cơ xăng (Gasoline engine)

Động cơ xăng, còn được gọi là động cơ đốt trong chạy xăng, là một loại động cơ nhiệt sử dụng năng lượng hóa học được lưu trữ trong xăng để tạo ra động năng. Quá trình này liên quan đến việc đốt cháy hỗn hợp không khí và nhiên liệu xăng bên trong một buồng đốt kín, tạo ra áp suất cao đẩy piston, từ đó tạo ra chuyển động quay cho trục khuỷu. Chuyển động quay này sau đó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các phương tiện giao thông, máy móc và các thiết bị khác.

Nguyên lý hoạt động

Động cơ xăng hoạt động dựa trên chu trình 4 kỳ (còn gọi là chu trình Otto):

Kỳ nạp (Intake stroke): Piston di chuyển xuống dưới, van nạp mở, hút hỗn hợp không khí và nhiên liệu xăng vào buồng đốt.
Kỳ nén (Compression stroke): Cả van nạp và van xả đều đóng, piston di chuyển lên trên, nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu, làm tăng áp suất và nhiệt độ. Tỷ số nén (compression ratio), thường được ký hiệu là $r$, là tỷ lệ giữa thể tích buồng đốt khi piston ở điểm chết dưới và thể tích buồng đốt khi piston ở điểm chết trên ($r = V{DCĐ} / V{DCT}$).
Kỳ nổ (Power stroke/Combustion stroke): Khi piston gần đạt đến điểm chết trên, bugi đánh lửa đốt cháy hỗn hợp khí nén. Vụ nổ tạo ra áp suất rất lớn đẩy piston xuống dưới. Đây là kỳ sinh công của động cơ.
Kỳ xả (Exhaust stroke): Piston di chuyển lên trên, van xả mở, đẩy khí thải ra khỏi buồng đốt.

Phân loại

Động cơ xăng có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

Số kỳ: 2 kỳ hoặc 4 kỳ. Động cơ 4 kỳ phổ biến hơn do hiệu suất và mức độ ô nhiễm thấp hơn.
Số xi lanh: Từ 1 xi lanh đến 12 xi lanh hoặc hơn, tùy thuộc vào ứng dụng.
Kiểu sắp xếp xi lanh: Xi lanh thẳng hàng (inline), xi lanh chữ V (V-engine), xi lanh đối xứng (horizontally opposed/boxer engine), xi lanh hình sao (radial engine),…
Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Bộ chế hòa khí (carburetor) hoặc phun xăng điện tử (fuel injection). Phun xăng điện tử hiện đại hơn và hiệu quả hơn.
Hệ thống làm mát: Làm mát bằng không khí hoặc làm mát bằng chất lỏng.

Ưu điểm

Nhẹ hơn và nhỏ gọn hơn so với động cơ diesel cùng công suất.
Vận hành êm ái hơn động cơ diesel.
Giá thành sản xuất thấp hơn.

Nhược điểm

Hiệu suất nhiệt thấp hơn động cơ diesel.
Khí thải ô nhiễm hơn động cơ diesel.
Tiêu hao nhiên liệu cao hơn.

Ứng dụng

Động cơ xăng được sử dụng rộng rãi trong:

Ô tô con, xe máy, xe tải nhẹ.
Máy phát điện, máy bơm nước, máy cắt cỏ,…
Tàu thuyền nhỏ, máy bay hạng nhẹ.

Động cơ xăng là một loại động cơ đốt trong quan trọng và phổ biến. Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng những ưu điểm về trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn và giá thành sản xuất thấp đã khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng. Sự phát triển công nghệ liên tục giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường của động cơ xăng.

Các hệ thống chính trong động cơ xăng

Ngoài các thành phần cơ bản như piston, xi lanh, trục khuỷu và van, động cơ xăng còn bao gồm các hệ thống quan trọng sau:

Hệ thống cung cấp nhiên liệu: Đảm bảo cung cấp đúng lượng hỗn hợp nhiên liệu và không khí vào buồng đốt. Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) hiện đại sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển điện tử để tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu, tăng hiệu suất và giảm khí thải.
Hệ thống đánh lửa: Tạo ra tia lửa điện ở bugi để đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Hệ thống đánh lửa điện tử hiện đại sử dụng các cảm biến để xác định thời điểm đánh lửa tối ưu.
Hệ thống bôi trơn: Giảm ma sát giữa các bộ phận chuyển động, làm mát động cơ và làm sạch các tạp chất. Dầu bôi trơn được bơm tuần hoàn qua động cơ.
Hệ thống làm mát: Duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu của động cơ. Hệ thống làm mát bằng chất lỏng sử dụng dung dịch làm mát (coolant) tuần hoàn qua động cơ và két làm mát. Hệ thống làm mát bằng không khí sử dụng các cánh tản nhiệt để tăng diện tích tiếp xúc với không khí.
Hệ thống xả: Đưa khí thải ra khỏi động cơ. Bộ chuyển đổi xúc tác (catalytic converter) trong hệ thống xả giúp giảm thiểu lượng khí thải độc hại.

Các thông số kỹ thuật quan trọng

Một số thông số kỹ thuật quan trọng của động cơ xăng bao gồm:

Công suất (Power): Đại lượng thể hiện khả năng sinh công của động cơ, thường được đo bằng mã lực (HP) hoặc kilowatt (kW).
Mô-men xoắn (Torque): Đại lượng thể hiện lực quay của động cơ, thường được đo bằng Newton-mét (Nm). Mô-men xoắn cao giúp xe tăng tốc nhanh và leo dốc tốt.
Dung tích xi lanh (Displacement): Tổng thể tích của tất cả các xi lanh trong động cơ, thường được đo bằng lít (L) hoặc centimet khối (cc).
Tỷ số nén (Compression ratio): Như đã đề cập ở trên, $r = V{DCĐ} / V{DCT}$. Tỷ số nén cao giúp tăng hiệu suất động cơ.
Mức tiêu hao nhiên liệu (Fuel consumption): Lượng nhiên liệu tiêu thụ trên một đơn vị quãng đường, thường được đo bằng lít/100km.

Xu hướng phát triển

Các xu hướng phát triển hiện nay của động cơ xăng bao gồm:

Động cơ tăng áp (Turbocharged engine) và siêu nạp (Supercharged engine): Nén không khí nạp vào động cơ để tăng công suất và mô-men xoắn.
Động cơ phun xăng trực tiếp (GDI – Gasoline Direct Injection): Phun nhiên liệu trực tiếp vào buồng đốt, giúp cải thiện hiệu suất và giảm khí thải.
Công nghệ hybrid: Kết hợp động cơ xăng với động cơ điện để tăng hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải.
Downsizing: Giảm dung tích xi lanh nhưng vẫn duy trì công suất bằng cách sử dụng tăng áp hoặc các công nghệ khác.

[customtextbox title=”Tóm tắt về Động cơ xăng” bgcolor=”#e8ffee” titlebgcolor=”#009829″]
Động cơ xăng là một loại động cơ đốt trong phổ biến, chuyển đổi năng lượng hóa học của xăng thành động năng. Quá trình này diễn ra thông qua chu trình 4 kỳ: nạp, nén, nổ và xả. Hiểu rõ chu trình này là chìa khóa để nắm bắt nguyên lý hoạt động của động cơ xăng. Trong kỳ nén, hỗn hợp nhiên liệu-không khí bị nén với tỷ số nén $r = V{DCĐ} / V_{DCT}$, và việc này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ.

Hiệu suất, công suất và mức tiêu hao nhiên liệu là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá một động cơ xăng. Công suất (thường đo bằng mã lực – HP hoặc kilowatt – kW) cho biết khả năng sinh công, trong khi mô-men xoắn (đo bằng Newton-mét – Nm) thể hiện lực quay của động cơ. Mức tiêu hao nhiên liệu (lít/100km) là một chỉ số quan trọng phản ánh tính kinh tế của động cơ.

Các hệ thống như cung cấp nhiên liệu, đánh lửa, bôi trơn, làm mát và xả đều đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ xăng. Hệ thống phun xăng điện tử (EFI) và hệ thống đánh lửa điện tử là những công nghệ hiện đại giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm khí thải. Việc bảo dưỡng định kỳ các hệ thống này là cần thiết để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và bền lâu.

Cuối cùng, công nghệ động cơ xăng đang không ngừng phát triển với các xu hướng như tăng áp, siêu nạp, phun xăng trực tiếp (GDI), hybrid và downsizing. Những tiến bộ này hướng đến việc tăng hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và giảm thiểu tác động đến môi trường. Nắm bắt được các xu hướng này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về tương lai của động cơ đốt trong.

[/custom_textbox]

Tài liệu tham khảo

Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Education.
Stone, R. (1999). Introduction to Internal Combustion Engines. Palgrave Macmillan.
Pulkrabek, W. W. (2004). Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào hệ thống phun xăng điện tử (EFI) cải thiện hiệu suất và giảm khí thải so với bộ chế hòa khí?

Trả lời: Hệ thống EFI sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển điện tử để đo lường chính xác lượng không khí nạp vào và điều chỉnh lượng nhiên liệu phun vào sao cho phù hợp với điều kiện vận hành. Điều này giúp tối ưu hóa quá trình cháy, dẫn đến hiệu suất cao hơn và ít khí thải độc hại hơn so với bộ chế hòa khí, vốn dựa vào cơ chế cơ học đơn giản hơn và ít chính xác hơn.

Tỷ số nén ($r = V{DCĐ} / V{DCT}$) ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ xăng như thế nào?

Trả lời: Tỷ số nén càng cao, hỗn hợp nhiên liệu-không khí càng bị nén mạnh, dẫn đến áp suất và nhiệt độ cao hơn trong kỳ nổ. Điều này tạo ra lực đẩy mạnh hơn lên piston, từ đó tăng công suất và hiệu suất nhiệt của động cơ. Tuy nhiên, tỷ số nén quá cao có thể dẫn đến hiện tượng gõ (knocking), do đó cần phải sử dụng xăng có chỉ số octan cao hơn.

Ngoài chu trình 4 kỳ (Otto), còn có loại chu trình nào khác được sử dụng trong động cơ xăng không?

Trả lời: Có, đó là chu trình 2 kỳ. Chu trình 2 kỳ hoàn thành trong một vòng quay của trục khuỷu (hai hành trình của piston) thay vì hai vòng quay như chu trình 4 kỳ. Động cơ 2 kỳ đơn giản hơn và nhẹ hơn, nhưng kém hiệu quả hơn và tạo ra nhiều khí thải hơn so với động cơ 4 kỳ.

Công nghệ hybrid đóng vai trò gì trong việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu của xe ô tô sử dụng động cơ xăng?

Trả lời: Công nghệ hybrid kết hợp động cơ xăng với động cơ điện. Động cơ điện có thể hỗ trợ hoặc thay thế động cơ xăng trong một số trường hợp, ví dụ như khi xe chạy ở tốc độ thấp hoặc dừng đèn đỏ. Điều này giúp giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải. Ngoài ra, năng lượng sinh ra khi phanh có thể được thu hồi để sạc pin cho động cơ điện.

Tại sao downsizing (giảm dung tích xi lanh) lại là một xu hướng trong thiết kế động cơ xăng hiện đại?

Trả lời: Downsizing giúp giảm trọng lượng và ma sát của động cơ, từ đó cải thiện hiệu suất nhiên liệu. Để bù lại sự giảm công suất do dung tích xi lanh nhỏ hơn, các kỹ sư thường kết hợp downsizing với công nghệ tăng áp hoặc siêu nạp, giúp duy trì hoặc thậm chí tăng công suất và mô-men xoắn.

Một số điều thú vị về Động cơ xăng

Bugi không tạo ra lửa: Tia lửa điện từ bugi thực chất là plasma, một trạng thái vật chất khác với lửa. Plasma được tạo ra bởi sự phóng điện giữa hai điện cực của bugi.
Động cơ xăng đầu tiên không dùng cho xe hơi: Động cơ xăng đầu tiên được chế tạo bởi Nikolaus August Otto vào năm 1876, nhưng nó được sử dụng cho mục đích công nghiệp chứ không phải cho xe hơi. Chiếc xe hơi chạy bằng xăng đầu tiên được Karl Benz chế tạo vào năm 1886.
Động cơ xoay (Rotary engine): Mặc dù ít phổ biến hơn động cơ piston, động cơ xoay Wankel cũng sử dụng xăng và có thiết kế độc đáo với rotor hình tam giác quay bên trong buồng đốt hình bầu dục. Nó nhỏ gọn hơn và ít rung hơn động cơ piston nhưng lại kém hiệu quả hơn về mặt tiêu thụ nhiên liệu.
Tốc độ nổ: Vụ nổ trong xi lanh xảy ra cực kỳ nhanh, chỉ trong khoảng vài mili giây. Tốc độ lan truyền của ngọn lửa trong buồng đốt có thể đạt tới 20-30 mét/giây.
Hỗn hợp nhiên liệu lý tưởng: Tỷ lệ lý tưởng giữa không khí và nhiên liệu cho sự cháy hoàn hảo được gọi là tỷ lệ cân bằng hóa học (stoichiometric ratio), thường là khoảng 14.7:1 (14.7 phần không khí cho 1 phần xăng theo khối lượng). Tuy nhiên, tỷ lệ này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện vận hành.
Động cơ xe đua Công thức 1: Động cơ xăng được sử dụng trong xe đua Công thức 1 là những cỗ máy cực kỳ tinh vi và mạnh mẽ. Chúng có thể đạt tốc độ quay lên tới 20.000 vòng/phút và tạo ra công suất hơn 1000 mã lực, nhưng tuổi thọ lại rất ngắn.
Tái chế động cơ: Hầu hết các bộ phận của động cơ xăng, bao gồm cả kim loại và nhựa, đều có thể được tái chế. Việc tái chế giúp tiết kiệm tài nguyên và giảm thiểu tác động đến môi trường.
Tiếng nổ “gõ” (Knocking): Tiếng gõ trong động cơ là do sự cháy không đều của hỗn hợp nhiên liệu-không khí. Nó có thể gây hại cho động cơ và giảm hiệu suất. Xăng có chỉ số octan cao hơn có khả năng chống lại hiện tượng gõ tốt hơn.